PL248558B1

PL248558B1 - A reconfigurable three-level bridge circuit, a direct current converter comprising the circuit, and a method for controlling power switches comprising the circuit

Info

Publication number: PL248558B1
Application number: PL448727A
Authority: PL
Inventors: Rafał Miśkiewicz; Kiewicz Rafa Mi; Rafał Kopacz; Rafa Kopacz; Jacek Rąbkowski; Bkowski Jacek R
Original assignee: Politechnika Warszawska
Filing date: 2024-05-31
Publication date: 2025-12-29

Description

Przedmiotem wynalazku jest układ rekonfigurowalnego mostka trójpoziomowego, przekształtnik prądu stałego zawierający ten układ oraz sposób sterowania łącznikami mocy zawartych w tym układzie. Układ będący przedmiotem wynalazku może być wykorzystany jako stopień wejściowy przekształtnika prądu stałego z izolacją galwaniczną w klasycznej konwencji Dual Active Bridge (DAB), czy rozszerzonej, np. w wariancie miękko-przełączanym Series Resonant Dual Active Bridge (SR-DAB).The invention is a reconfigurable three-level bridge circuit, a DC converter incorporating this circuit, and a method for controlling the power switches contained within this circuit. The circuit being the subject of the invention can be used as the input stage of a DC converter with galvanic isolation in the classic Dual Active Bridge (DAB) convention, or in an extended version, e.g., the soft-switched Series Resonant Dual Active Bridge (SR-DAB) variant.

Znany jest układ izolowanego przekształtnika prądu stałego ze stopniem wejściowym w postaci mostka jednofazowego złożonego z dwóch gałęzi zawierających jeden łącznik każda. W mostku mogą być wykorzystywane szeregowo połączone tranzystory mocy w celu podwyższenia napięcia znamionowego układu, tak jak zostało to przedstawione na Rys 1. Wejściem transformatora są wyjścia poszczególnych gałęzi fazowych, wyjście transformatora podłączone jest do jednofazowego mostka diodowego lub mostka aktywnego w zależności od przeznaczenia układu.An isolated DC converter circuit is known, with a single-phase bridge input stage consisting of two branches containing a single switch each. The bridge can utilize series-connected power transistors to increase the nominal voltage of the system, as shown in Figure 1. The transformer input is the output of the individual phase branches, and the transformer output is connected to a single-phase diode bridge or an active bridge, depending on the system's intended use.

Znana jest także topologia izolowanego przekształtnika prądu stałego ze stopniem wejściowym złożonym z dzielnika pojemnościowego oraz sześciołącznikowej gałęzi o strukturze znanej z falownika typu Active Neutral Point Clamped (ANPC) przedstawionej na Rys. 2. Wejście na transformator wysokiej częstotliwości stanowią punkt środkowy dzielnika pojemnościowego oraz punkt wyjścia fazowego gałęzi ANPC, natomiast wyjście transformatora podłączone jest do jednofazowego mostka diodowego lub mostka aktywnego w zależności od przeznaczenia układu.There is also a known topology of an isolated DC converter with an input stage consisting of a capacitive divider and a six-connector branch with a structure known from the Active Neutral Point Clamped (ANPC) inverter shown in Fig. 2. The input to the high-frequency transformer is the midpoint of the capacitive divider and the phase output point of the ANPC branch, while the transformer output is connected to a single-phase diode bridge or an active bridge, depending on the purpose of the system.

Wadą tych układów jest to, że mogą pracować przy ograniczonym zakresie napięcia wyjściowego i nie są w stanie pracować w nowoczesnych systemach ładowania baterii pojazdów elektrycznych wymagających dużej elastyczności, gdzie zależnie od standardu ładowania wykorzystywanego w danym magazynie energii zakres napięcia zmienia się od 200 V do 1000 V lub nawet do 1200 V.The disadvantage of these systems is that they can operate with a limited output voltage range and are unable to operate in modern electric vehicle battery charging systems requiring high flexibility, where, depending on the charging standard used in a given energy storage system, the voltage range varies from 200 V to 1000 V or even up to 1200 V.

Powyższy problem nieoczekiwanie rozwiązuje układ rekonfigurowalnego mostka trójpoziomowego według wynalazku.The above problem is unexpectedly solved by the reconfigurable three-level bridge system according to the invention.

Układ rekonfigurowalnego mostka trójpoziomowego dedykowanego do zastosowania w izolowanym przekształtniku prądu stałego typu DAB, według wynalazku charakteryzuje się tym, że zawiera czternaście łączników mocy, w tym osiem łączników (S1 - S8) połączonych w ramach dwóch gałęzi trójpoziomowych składających się z czterech połączonych szeregowo łączników każdy, w ten sposób, że para S9, S10 tworzy dwukierunkowy łącznik mocy pomiędzy punktem środkowym dzielnika pojemnościowego obwodu pośredniczącego prądu stałego a wyjściem fazowym jednej z gałęzi, to znaczy punktem wspólnym między łącznikami S2 i S3, oraz dwie pary łączników S11/S12 i S13/S14, które są wykorzystywane do stworzenia połączenia z tranzystorami S6, S7 wymaganego w ramach konfiguracji z wyjściem niskonapięciowym, przy czym, para łączników S11/S12 jest połączona między punktem wspólnym łączników S1 i S2, a punktem wspólnym łączników S5 i S6, a para łączników S13/S14 jest połączona między punktem wspólnym łączników S3 i S4, a punktem wspólnym łączników S7 i S8.The reconfigurable three-level bridge circuit dedicated to use in an isolated DAB type direct current converter, according to the invention, is characterized in that it comprises fourteen power switches, including eight switches (S1 - S8) connected within two three-level branches consisting of four series-connected switches each, in such a way that the pair S9, S10 forms a bidirectional power switch between the midpoint of the capacitive divider of the direct current intermediate circuit and the phase output of one of the branches, i.e. the common point between switches S2 and S3, and two pairs of switches S11/S12 and S13/S14, which are used to create a connection with transistors S6, S7 required within the configuration with a low-voltage output, wherein the pair of switches S11/S12 is connected between the common point of switches S1 and S2 and the common point of switches S5 and S6, and the pair of switches S13/S14 is connected between the common point of switches S3 and S4 and the common point of switches S7 and S8.

Przekształtnik prądu stałego DAB według wynalazku charakteryzuje się tym, że zastosowano w nim wskazany wcześniej układ rekonfigurowalnego mostka trójpoziomowego według wynalazku.The DAB DC converter according to the invention is characterized in that it uses the previously indicated three-level reconfigurable bridge system according to the invention.

Sposób sterowania łącznikami mocy pozwalający na przeprowadzenie rekonfiguracji celem zmiany napięcia wyjściowego przekształtnika izolowanego prądu stałego, według wynalazku charakteryzuje się tym, że w trybie niskonapięciowym praca układu jest tożsama z konwencjonalnym sterowaniem stosowanych w układach opartych o półmostek w topologii ANPC, gdzie napięcie vAB osiąga wartość V1/2, 0 lub -V1/2, a w trybie wysokonapięciowym układ zachowuje się analogicznie do konwencjonalnych układów mostkowych trójpoziomowych opartych o szeregowe łączenie, gdzie napięcie vAB osiąga wartość V1 lub -V1, przy czym:The method of controlling power switches that allows for reconfiguration in order to change the output voltage of an isolated DC converter, according to the invention, is characterized in that in the low voltage mode the operation of the system is identical to the conventional control used in systems based on a half-bridge in the ANPC topology, where the voltage vAB reaches the value V1/2, 0 or -V1/2, and in the high voltage mode the system behaves analogously to the conventional three-level bridge systems based on series connection, where the voltage vAB reaches the value V1 or -V1, wherein:

a) w trybie niskonapięciowym LV-ANPC sterowane są komplementarnie, z wykorzystaniem standardowych metod modulacji szerokości impulsów, pary łączników S1/S2; S3/S4; S6/S7, przy czym łączniki S5 oraz S8 są stale wyłączone, a łączniki S9, S10, S11, S12, S13 oraz S14 są permanentnie załączone, co pozwala na osiągnięcia napięcie vAB na poziomie V1/2, 0 lub -V1/2 i powoduje uzyskania relatywnie niskich napięć na wyjściu przekształtnika izolowanego;a) in the low voltage mode LV-ANPC, pairs of switches S1/S2; S3/S4; S6/S7 are controlled complementarily, using standard pulse width modulation methods, with switches S5 and S8 being permanently off and switches S9, S10, S11, S12, S13 and S14 being permanently on, which allows achieving the vAB voltage at the level of V1/2, 0 or -V1/2 and results in relatively low voltages at the output of the isolated converter;

b) w trybie wysokonapięciowym HV-SC, przełączane zgodnie ze standardowymi metodami modulacji są łączniki S1 - S8, gdzie sygnały sterujące są identyczne dla par łączników połączonych szeregowo: S1/S2; S3/S4; S5/S6; S7/S8, a poszczególne części gałęzi pracują komplementarnie, to znaczy para S1/S2 i S3/S4; oraz para S5/S6 i S7/S8, zaś pozostałe łączniki (S9, S10, S11, S12, S13, S14) są na stałe wyłączone, co powoduje, że napięcie vAB osiąga wartość V1 lub -V1, dzięki czemu można otrzymać wysokie napięcie na wyjściu przekształtnika izolowanego.b) in the high-voltage HV-SC mode, switches S1 - S8 are switched in accordance with standard modulation methods, where the control signals are identical for pairs of switches connected in series: S1/S2; S3/S4; S5/S6; S7/S8, and the individual parts of the branches operate complementarily, i.e. the pair S1/S2 and S3/S4; and the pair S5/S6 and S7/S8, while the remaining switches (S9, S10, S11, S12, S13, S14) are permanently off, which causes the voltage vAB to reach the value V1 or -V1, thanks to which a high voltage can be obtained at the output of the isolated converter.

Układ według wynalazku wyróżnia się tym, że zawiera w swojej strukturze sześć dodatkowych łączników mocy, co pozwala na jego rekonfigurację. W ten sposób może płynnie przechodzić między trybem pracy niskonapięciowej (LV-ANPC), gdy wykorzystywany jest dzielnik pojemnościowy i gałąź o strukturze ANPC, co powoduje podawanie na uzwojenia transformatora połowy napięcia zasilającego; a trybem pracy wysokonapięciowej (HV-SC), gdy wykorzystywane są jedynie łączniki tworzące układ mostkowy a na wejściu transformatora pojawia się pełne napięcie zasilania. W ten sposób zakres regulacji napięcia wyjściowego zwiększony jest dwukrotnie.The circuit according to the invention is unique in that it incorporates six additional power switches, allowing for its reconfiguration. This allows it to seamlessly transition between low-voltage operation (LV-ANPC), when a capacitive divider and an ANPC branch are used, which applies half the supply voltage to the transformer windings, and high-voltage operation (HV-SC), when only the bridge switches are used and the full supply voltage is applied to the transformer input. This doubles the output voltage regulation range.

Poza bazowymi ośmioma łącznikami mocy S1 - S 8 wymaganymi do stworzenia podstawowych konfiguracji LV-ANPC oraz HV-SC składających się na dwie czterołącznikowe gałęzie połączone w konwencji pełnego mostka w zaproponowanym układzie występują cztery dodatkowe łączniki: para S 9, S10 tworząca dwukierunkowy łącznik mocy pomiędzy punktem środkowym dzielnika pojemnościowego 0 a wyjściem fazowym B; oraz dwie pary łączników S11/S12 i S13/S14 tworzące dwa dwukierunkowe łączniki mocy, które są wykorzystywane do stworzenia połączenia z łącznikami S 6, S 7 wymaganego w ramach konfiguracji LV-ANPC. Każdy z pojedynczych łączników może być zrealizowany przy pomocy tranzystorów typu MOSFET, IGBT, JFET lub HEMT.In addition to the basic eight power switches S1-S8 required to create the basic LV-ANPC and HV-SC configurations, which comprise two four-switch branches connected in a full bridge configuration, the proposed circuit includes four additional switches: the S9, S10 pair, which forms a bidirectional power switch between the midpoint of the capacitive divider 0 and the phase output B; and two pairs of switches S11/S12 and S13/S14, which form two bidirectional power switches used to connect with switches S6, S7 as required by the LV-ANPC configuration. Each individual switch can be implemented using MOSFET, IGBT, JFET, or HEMT transistors.

Przykład wykonania wynalazku został przedstawiony na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia topologię rekonfigurowalnego mostka trójpoziomowego według wynalazku, fig. 2 - przekształtnik prądu stałego z zastosowanym układem mostka trójpoziomowego według wynalazku jako stopień wejściowy takiego przekształtnika, fig. 3 - koncepcję rekonfiguracji przekształtnika trójpoziomowego zależnie od napięcia wyjściowego V2 wymaganego dla danego obciążenia (L1, L2, L3) zaś fig. 4 - napięcie wyjściowe rekonfigurowalnego mostka trójpoziomowego vAB oraz sygnały sterujące wszystkich łączników Si - S14 dla różnych trybów pracy.An example of the invention embodiment is presented in the drawing, where Fig. 1 shows the topology of the reconfigurable three-level bridge according to the invention, Fig. 2 - a DC converter with the three-level bridge circuit according to the invention used as the input stage of such a converter, Fig. 3 - the concept of reconfiguration of the three-level converter depending on the output voltage V2 required for a given load (L1, L2, L3), and Fig. 4 - the output voltage of the reconfigurable three-level bridge vAB and the control signals of all switches Si - S14 for various operating modes.

Na fig. 1 został przedstawiony układ rekonfigurowalnego mostka trójpoziomowego dedykowanego do zastosowania w izolowanym przekształtniku prądu stałego typu DAB, który zawiera czternaście łączników mocy, w tym osiem łączników (S1 - S8) połączonych w ramach dwóch gałęzi trójpoziomowych składających się z czterech łączników każdy, para S9, S10 tworząca dwukierunkowy łącznik mocy pomiędzy punktem środkowym dzielnika pojemnościowego a wyjściem fazowym jednej z gałęzi oraz dwie pary łączników S11/S12 i S13/S14, które są wykorzystywane do stworzenia połączenia z tranzystorami S6, S7 wymaganego w ramach konfiguracji z wyjściem niskonapięciowym.Figure 1 shows a reconfigurable three-level bridge circuit dedicated to use in an isolated DAB DC converter, which contains fourteen power switches, including eight switches (S1 - S8) connected in two three-level branches consisting of four switches each, a pair S9, S10 forming a bidirectional power switch between the midpoint of the capacitive divider and the phase output of one of the branches, and two pairs of switches S11/S12 and S13/S14, which are used to create a connection with transistors S6, S7 required in the low-voltage output configuration.

Na fig. 2 przedstawiono schemat przekształtnik prądu stałego, gdzie linią przerywaną zaznaczono przykładowe miejsce zastosowania układu według wynalazku.Figure 2 shows a diagram of a DC converter, where the dashed line indicates an example place of application of the system according to the invention.

Koncepcja wynalazku bazuje na tym, że układ jest zdolny do rekonfiguracji zależnie od wymaganego napięcia na wyjściu V2, co jest przedstawione na fig. 3. Co więcej, ta rekonfiguracja może odbywać się płynnie w trakcie pracy poprzez odpowiednią sekwencję sterowania łącznikami S1 - S14. Gdy wymagane napięcie jest niższe (w zakresie od Vmin do Vmid, gdzie Vmin to minimalne dopuszczalne napięcie na wyjściu, Vmid to napięcie progowe zmiany trybu pracy układu) układ jest w konfiguracji niskonapięciowej LV-ANPC i praca układu jest tożsama z konwencjonalnym sterowaniem stosowanych w układach opartych o półmostek tranzystorowy w topologii ANPC, gdzie napięcie vab osiąga wartości V1/2, 0 lub -V1/2. Natomiast w przypadku, gdzie wymagane jest wyższe napięcie na wyjściu (w zakresie od Vmid do Vmax, gdzie Vmax maksymalne dopuszczalne napięcie na wyjściu) układ jest w konfiguracji wysokonapięciowej HV-SC. W tym przypadku układ zachowuje się analogicznie do konwencjonalnych układów mostkowych trójpoziomowych wykorzystujących szeregowe łączenie łączników mocy, gdzie napięcie vab osiąga wartości Vi lub -Vi.The concept of the invention is based on the fact that the system is capable of reconfiguration depending on the required voltage at the output V2, which is shown in Fig. 3. Furthermore, this reconfiguration can take place smoothly during operation by appropriate control sequence of switches S1-S14. When the required voltage is lower (in the range from Vmin to Vmid, where Vmin is the minimum permissible output voltage, Vmid is the threshold voltage for changing the system's operating mode), the system is in the low-voltage LV-ANPC configuration and the operation of the system is identical to the conventional control used in systems based on a transistor half-bridge in the ANPC topology, where the voltage vab reaches the values V1/2, 0, or -V1/2. However, when a higher output voltage is required (in the range from Vmid to Vmax, where Vmax is the maximum permissible output voltage), the system is in the high-voltage HV-SC configuration. In this case, the system behaves analogously to conventional three-level bridge systems using series connection of power switches, where the voltage vab reaches the values Vi or -Vi.

Sposób sterowania układu jest szczegółowo przedstawiony na fig. 4 w przykładowej pracy z napięciem Vi = 1500 V, gdzie przestawione jest napięcie wyjściowe rekonfigurowalnego mostka trójpoziomowego vab oraz napięcia sterujące wszystkich tranzystorów w przypadku (a) niskonapięciowym LV-ANPC oraz (b) wysokonapięciowym HV-SC, co zostało już opisane szczegółowo powyżej.The control method of the system is presented in detail in Fig. 4 in the example operation with the voltage Vi = 1500 V, where the output voltage of the reconfigurable three-level bridge vab and the control voltages of all transistors in the case of (a) low-voltage LV-ANPC and (b) high-voltage HV-SC are presented, which has already been described in detail above.

Claims

1. A reconfigurable three-level bridge circuit dedicated to use in an isolated DAB type direct current converter, characterized in that it comprises fourteen power switches, including eight switches (S1 - S8) connected within two three-level branches consisting of four series-connected switches each, in such a way that the pair S9, S10 forms a bidirectional power switch between the midpoint of the capacitive divider of the direct current intermediate circuit and the phase output of one of the branches, i.e. the common point between switches S2 and S3, and two pairs of switches S11/S12 and S13/S14, which are used to create a connection with transistors S6, S7 required within the configuration with a low-voltage output, wherein the pair of switches S11/S12 is connected between the common point of switches S1 and S2 and the common point of switches S5 and S6, and the pair of switches S13/S14 is connected between the common point of switches S 3 and S4 and the common point of switches S 7 and S 8.

2. A DAB direct current converter characterized in that it uses a reconfigurable three-level bridge circuit according to claim 1.

3. A method of controlling power switches that allows for reconfiguration in order to change the output voltage of an isolated DC converter, characterized in that in the low-voltage mode the operation of the system is identical to the conventional control used in half-bridge systems in the ANPC topology, where the voltage vab reaches the value V1/2, 0 or -V1/2, and in the high-voltage mode the system behaves analogously to conventional three-level bridge systems based on series connection, where the voltage vab reaches the value Vi or -V2, wherein:

a) in the low voltage mode LV-ANPC, pairs of switches S1/S2; S3/S4; S6/S7 are controlled complementarily, using standard pulse width modulation methods, with switches S5 and S8 being permanently off and switches S9, S10, S11, S12, S13 and S14 being permanently on, which allows achieving the vAB voltage at the level of V1/2, 0 or -V1/2 and results in relatively low voltages at the output of the isolated converter;

b) in the high-voltage HV-SC mode, switches Si - S8 are switched in accordance with standard modulation methods, where the control signals are identical for pairs of switches connected in series: S1/S2; S3/S4; S5/S6; S7/S8, and the individual parts of the branches operate complementarily, i.e. the pair S1/S2 and S3/S4; and the pair S5/S6 and S7/S8, while the remaining switches (S9, S10, S11, S12, S13, S14) are permanently off, which causes the voltage vAB to reach the value V1 or -V1, thanks to which a high voltage can be obtained at the output of the isolated converter.